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抗生素生产主要通过微生物发酵(Fermentation)的途径。高成本和高能耗是抗生素发酵生产的特征。因此，优化抗生素发酵生产过程，对于降低抗生素生产成本，提高抗生素产量和质量具有重要意义。
抗生素发酵过程具有复杂的演化特性，而细胞自动机具有表现复杂系统行为能力。本文基于细胞自动机(CellularAutomata，CA)，建立抗生素发酵过程的演化模型，并基于这种模型，研究抗生素发酵过程的复杂演化行为和优化控制策略，取得了如下研究成果：
(1)本文提出了一种基于微生物细胞生长机理和动力学微分方程模型的细胞自动机模型设计方法，简称FCADS方法。FCADS方法基于微生物细胞分批培养生长机理和微生物细胞分批培养生长动力学微分方程模型，设计细胞自动机模型的随机演化规则，从而构造出微生物分批培养过程的概率CA模型。理论分析证明：基于FCADS方法设计的细胞自动机模型等价于一个可用随机差分方程描述的随机过程，该随机过程以原动力学微分方程为期望函数，表明细胞自动机模型和原动力学微分方程模型在统计意义上是一致的。FCADS方法为抗生素发酵过程的CA模型设计奠定了基础。
(2)基于FCADS方法，本文结合青霉素分批发酵过程产生菌生长机理和生长动力学微分方程模型，设计青霉素分批发酵过程CA模型随机演化规则，从而构造出青霉素分批发酵过程菌体生长的可视化概率CA模型，简称CABGM；结合青霉素分批补料发酵过程产生菌生长机理和Paul形态学结构动力学模型，设计青霉素分批补料发酵过程CA模型随机演化规则，建立了模拟青霉素分批补料发酵过程的可视化概率CA模型，简称CAPFM。CABGM和CAPFM分别模拟了分批和分批补料两种青霉素发酵过程。仿真实验表明，CABGM能一致地复现动力学微分方程模型所描述的青霉素菌体生长过程，而CAPFM能一致地复现形态学结构动力学模型所描述的青霉素分批补料发酵过程。CAPFM为青霉素发酵过程的优化控制策略研究奠定了基础。
(3)本文针对青霉素分批补料发酵过程优化控制问题，以模拟青霉素分批补料发酵过程细胞自动机模型CAPFM的研究工作为基础，提出了一种基于CAPFM的青霉素分批补料发酵过程优化控制策略设计方法，简称FCSDS方法。FCSDS方法通过理论分析，将青霉素分批补料发酵过程细胞自动机模型CAPFM等价并转化为一个马尔可夫过程，基于马尔可夫决策过程MDP的设计思想，构造了CAPFM迭代优化控制策略ROCS。本文基于CAPFM和ROCS设计了青霉素分批补料发酵过程迭代优化控制的模拟仿真系统，并进行了较为充分的仿真实验，仿真实验结果验证了CAPFM迭代优化控制策略ROCS的有效性。
课题获得国家自然科学基金(NO.60274060)、教育部科学技术研究重点项目(NO.203002)和北京市教育委员会科技发展计划面上项目(NO.KM200510005026)资助。取得的科研成果，对于抗生素发酵过程中微生物复杂演化行为的认识，对于抗生素发酵生产过程的建模和优化控制，对于细胞自动机在复杂系统中的应用研究具有积极意义和一定的参考价值。